Hidrodinámica en la Medicina (Formulas & Ejercicios)

1. Hidrodinámicaen la Medicina(Formulas & Ejercicios) Dr. Willy H. Gerber Objetivos: Comprender como fluye la sangre y que aspectos se deben considerar en un modelamiento. www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-03-Hidrodinamica-Ejercicios-Version-04.08

2. Que tipo de flujo tenemos? - Numero de Reynold El tipo de flujo depende del numero de Reynold  Densidad [kg/m3] v Velocidad [m/s] r Largo característico (ej. Radio) [m] A Sección [m2]  Viscosidad dinámica [Pa s = kg/ms]  = / Viscosidad cinética [m2/s] Re >> 50000 flujo turbulento Re 2300-50000 transición Re << 2300 flujo laminar www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-03-Hidrodinamica-Ejercicios-Version-04.08

3. Modelo • Supongamos que la sangre es un liquido • incompresible y • de viscosidad homogénea Las venas y arterias se puede describir en primera aproximación por cilindros: r v L Q: flujo [m3/s] r: radio [m] v: velocidad [m/s] www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-03-Hidrodinamica-Ejercicios-Version-04.08

4. Modelo según Hagen Poiseville El flujo se regiría por la ley de Hagen-Poiseville L: largo del cilindro [m] p: diferencia de presión en el largo L [N/m2] : viscosidad [Pa s] que aplica a líquidos “Newtonianos” www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-03-Hidrodinamica-Ejercicios-Version-04.08

5. Modelo “eléctrico” – Ley de Darcy En tal caso se puede tratar la sangre como un “circuito” eléctrico definiendo una Resistencia al fluir: Ley de Darcy  R: “Resistencia” al flujo [kg/m4s] www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-03-Hidrodinamica-Ejercicios-Version-04.08

6. Efecto de una estenosis – vasos en serie Al ser el flujo igual y variar solo la resistencia se obtiene una curva para la caída de presión L l L’ R’ R r pR Presión en la vena [Pa] pr p pR’ Largo de la vena [m] www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-03-Hidrodinamica-Ejercicios-Version-04.08

7. Modelando una estenosis – vasos paralelos En este caso se tiene dos variaciones: la roja por el vaso con la obstrucción y la azul por la parte libre. Presión en la vena [Pa] p Largo de la vena [m] www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-03-Hidrodinamica-Ejercicios-Version-04.08

8. Efecto sobre la viscosidad • Concentración de hematocitos: • siendo • plasma = 0.015 Poise (1.5 cP) • Ejemplo: • (45) = 3.2 cP = 0.032 P = 0.0032 Pas. • 1 Poise (P) ≡ 1 g/cm·s ≡ 0.1 Pa·s = 0.1 kg/m·s • cP es un centi-Poise o 0.01 Poise • Otros efectos: • Temperatura • Efecto Fahraeus-Lindqvist www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-03-Hidrodinamica-Ejercicios-Version-04.08

9. Ejercicios Si suponemos que tenemos una 40% de hematocitos en la sangre (Ht = 0.4) y la viscosidad del plasma es de 1.5 cP, cual es la viscosidad de la Sangre? (0.003 Pa s) Considerando la viscosidad del ejercicio anterior y suponiendo una vena fina con un radio de 75 micrómetros y largo de 0.15 cm, cual es la resistencia para el flujo laminar en la modelación de Darcy? (3.62x1011 kg/sm4) Si la diferencia de presión fuera 0.832 Pa, que flujo de sangre se observaría en la vena fina del ejercicio anterior? (2.30x10-12 m3/s) Supongamos que la vena fina se puede modelar como un sistema de tres secciones. La primera y ultima del radio indicado en el ejercicio 2 y de largo 0.07 cm. El segundo segmento esta parcialmente obstruido quedando el radio en 45 micrómetros y largo 1 mm. Si suponemos las mismas propiedades de la sangre que en dos, cuales son las resistencias del fluido? (1.69x10+11 kg/sm4, 1.86x10+12 kg/sm4, 1.69x10+11 kg/sm4) Para lograr el mismo flujo que en el ejercicio 3, a cuanto deben ascender las diferencias presiones en cada segmento? (0.388Pa, 4.28Pa, 0.388Pa) Que diferencia de presión se requiere para lograr este flujo? (5.06 Pa) A que resistencia equivale la geometría definida en el ejercicio 4 y flujo calculado en los dos ejercicios posteriores? (2.20x1012 kg/sm4) www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-03-Hidrodinamica-Ejercicios-Version-04.08

10. Ejercicios A que aumento de presión esta expuesto un punto al final del primer tramo al pasar a la zona con la obstrucción? (1.973 Pa) Si tomamos la situación descrita en el ejercicio 3, a que velocidad media se desplaza la corriente? (1.3x10-4 m/s) A que numero de Reynold corresponde la velocidad del ejemplo anterior si la densidad de la sangre fuera igual a la del agua (1g/cm3)? (3.25x10-3; laminar) Cuantos litros por minuto transportarían 1.2x106 venas con el flujo indicado en el ejercicio 3? (0.1654 l/min) Si por efecto de la temperatura la viscosidad del plasma se reduce a un 20% respecto el valor en los pies de la persona, en cuanto varia el flujo en la cabeza respecto del de los pies si todos los restantes parámetros fueran constantes? (aumenta en un factor 5) www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-03-Hidrodinamica-Ejercicios-Version-04.08

11. Grafico solución problema 8 0.388 Pa Aumento buscado en Pregunta 8 Caída normal sin obstrucción Caidas de presion calculadas en 5 5.06 Pa 4.28 Pa 0.388 Pa 7 mm 7 mm 1 mm Presión sin obstrucción final primer tramo 5.06*(1 + 8)/15 Pa www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Mediciona-03-Hidrodinamica-Ejercicios-Version-04.08